第六章 冠层反射率模型-辐射传输
实验六 植物冠层分析仪测量原理与使用方法
实验六植物冠层分析仪测量原理与使用方法【实验目的】通过本实验使学生了解叶面积指数这一重要生态系统结构与功能参数，掌握目前国际上流行的叶面积指数测定仪器——植物冠层分析仪的使用方法，并以灌木林为例，在老师的指导下分组具体测定灌木林地叶面积指数。
【实验原理】叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是一个重要的生态系统结构参数，定义为某一树木或林分的叶片在地面上投影的总面积。
叶面积指数不仅直接反映植物的生长状况，而且影响着植物的许多生物、物理过程，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、碳氮循环和降水截获等。
由于叶面积的指数是一个很好反映植物对于环境变化响应的指标，又与植被的光合作用、蒸腾作用、水分利用及净初级生产力、碳氮循环直接相关，特别是在研究植被生产力与遥感数据的关系模型方面，叶面积指数显示了巨大的应用前景，因此，叶面积指数的快速和准确测定显得十分重要。
LAI是研究从叶片水平推移到森林冠层的重要参数，是一个无量纲、随着叶子数量的变化而变化的参数。
LAI值变化范围：针叶林的为0.6～16.9；落叶林为6～8；年收获的作物为2～4；绝大部分生物群系为3～19。
LAI测量方法包括直接测量法和间接测量法。
直接测量法通过先测定所有叶片的叶面积，再计算LAI，叶面积测量方法有求积仪测定法、称重法、方格计算法、排水法、经验公式计算法、异速生长法等。
其中常用的有利用叶片形状的标准形状法、根据叶面积与叶重之间关系的称重法以及利用叶面积与胸径的回归关系推算叶面积的易速生长法。
因要剪下全部待测叶片，直接测量多数属于毁坏性测量，或至少会干扰冠层，叶片角度的分布，从而影响数据的质量，直接测量法费时、费力。
间接测量法，利用冠层结构与冠层内辐射与环境的相互作用这一可定量耦合关系，通过测定辐射的相关数据推断冠层的结构特征，具体有顶视法和底视法。
间接测量法可以避免直接测量法所造成的大规模破坏植被的缺点，不受时间的限制，获取数据量大，仪器容易操作，方便快捷，还可以测定一年中森林冠层LAI的季节变化。
大气辐射传输校正模型(5S,modtran,acorn)
在遥感的实际应用中，常用很多简化的手段，如假设地面为朗伯面，排除云的存在，采用有关标准大气模式及大气气溶胶模式等，一次产生了许多不同类型的大气辐射传输模型，主要分为两类，1）采用大气的光学参数2）直接采用大气物理参数如lowtran、modtran等大气辐射近似计算模型，而且还增加了多次散射计算1. 5s模型该模型的代码模拟计算海平面上的均匀朗伯体目标的反射率，并假定大气吸收作用与散射作用可以耦合，就像吸收粒子位于散射层的上面一样，则大气上层测量的目标反射率可以表示为，海平面处朗伯体的反射率大气透过率分子、气溶胶层的内在反射率有太阳到地表再到传感器的大气透过率S为大气的反射率大气传输辐射校正模型－3 modtran该模型是由美国空军地球物理实验室研制的大气辐射模拟计算程序，在遥感领域被广泛应用于图像的大气校正。
lowtran7是一个光谱分辨率20cm－1，的大气辐射传输实用软件，它提供了6种参考大气模式的温度、气压、密度的垂直廓线，水汽、臭氧、甲烷、一氧化碳、一氧化二氮的混合比垂直廓线，其他13种微量气体的垂直廓线，城乡大气气溶胶、雾、沙尘、火山喷发物、云、雨的廓线，辐射参量（如消光系数、吸收系数、非对称因子的光谱分布），以及地外太阳光谱。
lowtran7可以根据用户的需要，设置水平、倾斜、及垂直路径，地对空、空对地等各种探测几何形式，适用对象广泛。
lowtran7的基本算法包括透过率计算方法，多次散射处理和几何路径计算。
1）多次散射处理lowtran 采用改进的累加法，自海平面开始向上直至大气的上界，全面考虑整层大气和地表、云层的反射贡献，逐层确定大气分层每一界面上的综合透过率、吸收率、反射率和辐射通量。
再用得到的通量计算散射源函数，用二流近似解求辐射传输方程。
2）透过率计算该模型在单纯计算透过率或仅考虑单次散射时，采用参数化经验方法计算带平均透过率，在计算多次散射时，采用k－分布法3）光线几何路径计算考虑了地球曲率和大气折射效应，将大气看作球面分层，逐层考虑大气折射效应由于lowtran直接使用大气物理参数，因而需要按照下列方法计算出与lowtran使用的大气物理参数相对应的大气光学参数179页4.modtran辐射传输模型modtran可以计算0到50000cm－1的大气透过率和辐射亮度，它在440nm到无限大的波长范围精度是2cm－1，在22680到50000cm－1紫外波（200-440nm）范围的精度是20cm－1，在给定辐射传输驱动、气溶胶和云参数、光源与遥感器的几何立体对和地面光谱信息的基础上，根据辐射传输方程来计算大气的透过率以及辐射亮度。
定量遥感实习三 植被冠层反射率模型
实习三 植被冠层反射率模型一、实习目的学习和掌握叶片反射率模型PROSPECT 和冠层反射率模型Sail 的使用。
二、实习内容（1）熟悉Prospect 和Sail 模型的输入参数和输出结果；（2）利用实测数据进行叶片反射率和冠层二向反射率的模拟； （3）利用模型进行一些基本原理的验证。
三、实习步骤 （1）叶片反射率1、安装WinSail 程序，打开Prospect ，点击Options ——Winsail (multiple wavelength ) generation mode ，波长范围为400——2400nm ，所以在Lower wavelength 中输入400，在Upper wavelength 中输入2400，wavelength increment （波长间隔）中输入5，叶片叶肉结构Leaf mesophyll structure index ，输入1.3。
2、利用Prospect 模型分别模拟苜蓿、莴苣、玉米、向日葵和水稻五种作物的叶片反射率和透射率。
分别在Chlorophyll content （叶绿素含量）、Water content （含水量）、Dry matter content （干物质）中输入5中作物对应的参数，最后点击Calculate multiple Rf/Tr values (%)，得出各自的运行结果。
3、将五组数据导入到excel 表格中，每组数据对应两个数值，即叶片反射率Ref 和透射率Tr ，将透射率删除，插入图表，绘制各作物的叶片反射率光谱曲线，横轴表示波长，纵轴表示反射率，光谱曲线如下图所示：5种作物叶片反射率010203040504008001200160020002400波长（nm）反射率苜蓿Ref 莴苣Ref 向日葵Ref 玉米Ref 水稻Ref（2）冠层反射率1、运行Winsail 程序，分别输入太阳赤纬、纬度等相关参数，在Leaf Reflectance/Transmittance 中导入刚刚利用Prospect 求出的各作物的叶片反射率，Background Spectrum 选择SOIL_SAIL ，Background reflectance 选择rsoil.dat ，最后点击运行。
【辐射传输】名词解释
【辐射传输】名词解释2-3立体角（Ω）被定义为锥体所拦截的球面积（σ）与球半径（r）平方的比值。
单位：球面度（sr）2-7辐射通量：单位时间通过某一表面的辐射能量。
也称功率。
2-8辐射通量密度：单位时间、单位面积上所通过的能量。
2-9辐射量度：单位时间、单位立体角垂直于辐射方向的单位面积上所通过的能量。
在一些参考书上也称为辐射强度。
2-13二项性反射分布函数：反射方向辐射亮度与入射方向辐射通量密度的比值。
2-14二项性反射率因子：反射方向辐射亮度与理想漫反射体在该方向的反射辐射亮度之比。
2-14理想漫反射体：100%反射且各向同性（朗伯体）2-15反照率：一般定义为目标物的反射辐射通量密度与入射辐射通量密度的比值。
2-15黑空反照率（Black-Sky Albedo）：将BRDF在所有反射方向上进行积分。
有时也称方向-半球反射率等。
2-15白空反照率（White-Sky Albedo）：将黑空反照率在所有入射方向上进行积分。
有时也称为双半球反射率等。
2-16宽波段反照率就被定义为在一定波长范围内的地表上行辐射通量密度与下行辐射通量密度的比值2-17黑体：完全的吸收体和发射体。
2-33基尔霍夫定律：在热力学平衡条件下，某介质的单色发射率等于它的单色吸收率。
2-36散射（Scattering）是这样一种物理过程：位于电磁波路径上的粒子，通过这种过程从入射波中连续地提取能量，并且将此能量向各方向重新辐射出去。
2-36吸收（Absorption）：粒子将电磁辐射的能量变成自己的能量。
2-36消光（Extinction）：表示介质对光的移除，使其能量衰减。
消光= 散射+ 吸收。
2-40消光截面：表示粒子由初始光束中所移除的能量大小。
当对粒子而言时，截面的单位是面积（cm2），因此，以面积计的消光截面（extinctioncrosssection）等于散射截面与吸收截面之和。
2-43热点：即与太阳入射方向正好相同的观测方向附近有一个反射峰值。
测绘技术陆地卫星图像的大气校正与反射率获取方法
测绘技术陆地卫星图像的大气校正与反射率获取方法测绘技术是现代科技的重要组成部分，涉及到多个领域，包括地理信息系统、遥感技术和测绘仪器等。
其中，测绘技术中的大气校正与反射率获取方法在陆地卫星图像处理中起着至关重要的作用。
本文将探讨大气校正与反射率获取方法在测绘技术中的应用。
一、大气校正的意义与目的大气校正是将卫星图像中因大气吸收、散射等原因引起的扰动进行校正，以获得真实的地物反射率。
大气校正的目的是消除大气影响，提高图像的可解译性和定量性。
大气校正能够使卫星图像更加精确和真实地反映地表特征，为后续的测绘工作提供准确的数据基础。
二、大气校正的原理与方法大气校正的原理是基于大气对太阳辐射的吸收、散射以及陆地表面反射的特性。
常见的大气校正方法包括大气传输模型法、辐射传输模型法和方法转换法等。
其中，大气传输模型法是将大气光通量和大气的散射成分分开计算，进而校正图像。
辐射传输模型法则是通过建立大气模型，利用辐射传输方程求解大气校正系数。
方法转换法则是通过选择合适的目标和背景进行校正，从而获得真实的地物反射率。
三、反射率获取方法反射率获取方法是在大气校正基础上，通过分析卫星图像中的光谱数据，计算地物的反射率。
常用的反射率获取方法包括比值法、冠层反射率模型法和统计学方法等。
比值法是通过地物的光谱特征反映地物的反射率，通过计算不同波段之间的比值，来获得反射率信息。
冠层反射率模型法是通过建立地物与大气之间的传输模型，将卫星观测值与地物的反射率联系起来。
统计学方法是通过统计分析卫星图像中的光谱分布，来获得地物反射率的估计值。
四、测绘技术中的应用大气校正与反射率获取方法在测绘技术中有着广泛的应用。
首先，在地理信息系统中，通过对卫星图像进行大气校正和反射率获取，可以获取准确的地表反射率，提供高质量的地表特征信息。
其次，在环境监测领域，通过大气校正和反射率获取可以对空气质量、土壤水分等环境因素进行精确监测。
此外，大气校正和反射率获取也广泛应用于农业、遥感地质勘探等领域，为相关工作提供重要的支持。
大气辐射与遥感-第六章
单次散射反射率（single scattering albedo）
实际上辐射被介质散射的同时，也被介质吸 收，即消光过程既包括散射，也包括吸收。 单次散射反射率 ω 定义为辐射传输发生每 一次消光过程中，散射占的百分比。
s s a e
s
单次散射源函数
对于单次散射，我们假设入射辐射强度的初始 值为I0，传播方向为Ω0，则它到达τ处的辐射 强度为：
根据球面调和函数的加法定理，散射相函数可 展开为:
~ m P m ( ) P m ( ' ) cos m( ' )] P( , ; ' , ' ) l l l
m 0 l m N N
Pl m
为连带勒让德多项式。
(l m,..., N ,0 m N )
0
注意到τ (∞)=0：
I I 0e
/
传输方程的简单解（比尔定律）：e的指数形式
实际中，云、气溶胶粒子对短波乃至红外波段 的散射效应都不能忽略，在一些情况下传输方 程中必须考虑散射作用。
dI dI ext dI emit dI scat dI ext e Ids
I 0e
Ωo
/ 0
单次散射
Ω
多次散射
τ
在τ 处发生单次散射后，散射到方向Ω 的辐射 强度即为： P ( , 0 ) / 0 I 0e 4 对上式中入射方向Ω0 在4π空间积分，并考虑 只有一个入射方向，则上式中的强度变成通量 密度，即有： P (, 0 ) / 0 F 0e 4 上式就是单次散射产生的源函数。
问题的关键： 1.I在太阳方向上有峰值 2.P(cosθ)存在峰值
6.2散射相函数的展开
2.2辐射传输方程
1 2π
2π
∫ g l (Ω l ) Ω l ⋅ Ω' f (Ω' → Ω, Ω l )dΩ l
−
−
如果再假定 g l (Ω l ) = 1 （取球面型）
58
则 Γ ( Ω' → Ω ) =
t ω [sin β − β cos β ] + l cos β 3π π
其中
β = cos −1 (Ω, Ω' ) ω = rl + t l
其中 θ s = sin
−1
sin θ ' n
尔镜面反射公式
n 为叶子的光学折射系数，F 为菲
∫ f (Ω φπ
'
→ Ω , Ω l )dΩ = rl+ + rl− + t l+ + t l− + K ( k , µ ' ) F ( n, µ ' )
2.2.4．连续植被的辐射传输方程 一般水平均匀，垂直分层介质中的辐射传输方程可表达为
其中 τ = u l ( z ) dz ，即 dτ ( z ) = ul ( z )dz
∂
∫
z
如果单片叶子的单次散射反照率是一个常数，那么辐射传输方程可变换为另一种形式。
Q
1
π
1
Γ ( Ω' → Ω ) =
1 2π
2π
∫ g l (Ω l ) | Ω l ⋅ Ω' | f (Ω' → Ω, Ω l )dΩ l
与一般辐射传输方程等式右边项相比，则
σ s ( z , Ω' → Ω ) =
− − ul ( z ) g l ( z, Ω l ) | Ω l ⋅ Ω | f (Ω' → Ω, Ω l )dΩ l ∫ 2π 2π
遥感教案 6第六章 辐射校正
传感器接收信号时，受仪器的影响还有一个系统增益系数S,这时， 传感器接收信号时，受仪器的影响还有一个系统增益系数S,这时， 进入传感器的亮度值为 L’0= L0•S L0• 由于大气的存在，在入射方向有与入射天顶角和波长有关的透过 率Tθ,反射后，在反射方向上有与反射天顶角和波长有关的透过 率Tφ,因此，进入传感器的亮度为 L1= L’0• Tθ• Tφ L’ 大气对辐射散射后，来自各个方向的散射又以漫入射的形式照射 地物，其辐照度为ED,这部分的亮度值为L2=R• 地物，其辐照度为ED,这部分的亮度值为L2=R• Tφ•S• ED/ π 相当部分的散射光向上通过大气直接进入传感器，亮度为LP 相当部分的器的辐射亮度是三者之和 L=L1+L2+LP L=LP+R• L=LP+R•Tφ• S(E0 TθCOSθ+ ED)/ π TθCOSθ ED)/
第六章 辐射校正
辐射校正
一 辐射校正的含义 二 辐射畸变产生的原因 三 辐射校正的方法
一辐射校正的含义
进入传感器的辐射强度取决于两个因素 太阳辐射照射到地面的辐射强度; 一 太阳辐射照射到地面的辐射强度; 地物的光谱反射率。 二 地物的光谱反射率。 当太阳辐射相同时， 当太阳辐射相同时，像元亮度值的差异直接反映了 地物目标反射率的差异。但是在实际测量的时候， 地物目标反射率的差异。但是在实际测量的时候， 辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变。 辐射强度值还受到其他因素的影响而发生改变。引 起图像的失真， 起图像的失真，这一改变的部分就是需要校正的部 消除影像中各种失真的过程称为辐射校正 辐射校正. 分，消除影像中各种失真的过程称为辐射校正. 目的是尽可能恢复图像的本来面目，为遥感图像的 目的是尽可能恢复图像的本来面目， 识别，分类，解译等后续工作打下基础。 识别，分类，解译等后续工作打下基础。
大气校正6S模型简介
（2）光子从大气顶部太阳方向直接到达地面 目标的过程中，有一部分被大气所散射，这些 被散射的光子到达地面目标后被目标物反射后 直接到达传感器
(3)光子直接从大气顶部太阳方向到达目标后， 经过目标物的反射某一部分沿观察方向直接到达 传感器，另一部分经过大气的散射后，到达传感 器，这个过程可以理解为从入射方向上的一束光 子在各个方向上的反射
二、6S模型概述
1986年，法国里尔科技大学大气光学实验室TanreD.,DeuzeJ.L, 等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信 号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程 并计算卫星入瞳处辐射亮度。
(4)光子在直接从大气顶部太阳方向到达目标物的过 程中，一部分光子经过大气衰减后直接到达目标物， 另一部分光子经过大气的散射后，在到达目标物后被 反射，同样，其一部分直接到达传感器，而另一部分 则经过大气散射和地气作用后达到传感器。这一部分 可以理解为从各个方向入射到目标物的光子，在经过 目标物的反射后，又从各个方向到达接收传感器。
*可以输入波长为550nm处的光学厚度和气象能见
度（KM）
0.25-4um是6S模型处理的合法波长。提供
自定义和标准预定义两种光谱选择。
地表反射率模型，包括均一地表和非均一地表。 前者又分为两种：无方向型和方向型地表，前者 代表的是均一的朗伯反射体，分别是绿色植被均 值、洁净水均值、沙地均值和湖水均值，同时还 可输入自己的地表反射率。后者考虑了地表和大 气的二向反射特性。
1997年，美国马里兰大学地理系Eric Vemote对5S进行了改进， 发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳 光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。
植被遥感上机课程-植被辐射传输模型
03
植被辐射传输模型的参数
叶片结构参数
叶片厚度
叶片的厚度影响对光的吸收和反射，是决定植被辐射传输的重要因素。
叶片排列
叶片在树冠中的排列方式影响光在植被中的散射和穿透，进而影响辐射传输。
叶片表面结构
叶片表面的粗糙度和气孔分布等结构特征影响光与叶片的相互作用。
叶片色素参数
叶绿素含量
叶绿素是植物进行光合作用的主 要色素，对光的吸收和利用有重 要作用。
05
植被辐射传输模型的应用案 例
植被覆盖度估算
总结词
通过遥感数据和辐射传输模型的结合，可以估算植被覆盖度，了解地表植被的空间分布和覆盖程度。
详细描述
利用遥感数据中的光谱信息，结合植被辐射传输模型，可以反演地表植被的叶面积指数（LAI），进而估 算植被覆盖度。这种方法能够快速获取大范围的地表植被覆盖信息，对于生态保护、土地利用和气候变化 研究等领域具有重要意义。
根据实际需求和数据情况，确定模型所需 的参数，如地表反射率、大气透过率等。
模型建立与训练
数据集划分
01
将数据分为训练集、验证集和测试集，用于模型的训练、验证
和测试。
模型训练
02
利用训练集对模型进行训练，调整模型参数，优化模型性能。
模型验证
03
使用验证集对训练后的模型进行验证，评估模型的性能和泛化
能力。
植被生长状况监测
总结词
通过分析遥感数据和辐射传输模型的输出结果，可以监测植被的生长状况，了解植物的生长趋势和健康状况。
详细描述
利用遥感数据中的光谱信息，结合植被辐射传输模型，可以反演植物的生物量、叶绿素含量等信息，进而监测植 被的生长状况。这种方法能够及时发现植物生长异常，为植物保护和农业生产提供科学依据。